4.2.1 轨至轨与运放供电

我们现在开始讲解实际运算放大电路 它位于书本的4.2节包含五个小节的内容 那么我们先看看实际运放产品有哪些 在 TI 中国的主页上，我们选择放大器与线性器件 那么呢，就可以得到它的产品结构树 那么放大器的种类非常多 光我们教程里能够提到的放大器种类就有这么一些 那我们先以最直观的用价格来认识一下放大器 那我们在运算放大器里面看高速放大器 它的价格从0.34美元到15.68美元 差动放大器呢从1.1到9.26 通用放大器最便宜它从六美分到3.89 精密放大器呢 从七美分到最贵的200美元 那么音频放大器呢 从6美分到12.86美元 而我们之前在教程里提到过的 因为741 和 LM324 都是属于非常便宜的通用放大器的系列 只要7美分和11美分 那么 如果要想弄清楚为什么有这么多种类的放大器 又为什么有这么大的价格差呢 我们就需要知道实际运放与理想运放之间的差别 那么理想运放呢是将很多参数理想化了 多数参数理想化以后基本 没关系，比如说开环增益、共模抑制比 但是有一些参数呢在一些场合上是不能理想化的 实际运放与理想运放的差别主要体现在以下几点 一，理想运放没有考虑供电的问题 那么当我们选择实际运放的时候，我们需要考虑 芯片用什么供电，输入输出电压是否合适 二，任何电路呢都是存在低通效应的 所以实际运放会有带宽的限制 第三，运放的虚短假设基本都没有问题 但是虚断的假设 不一定成立，我们在处理高内阻信号的时候 运放的输入电流不能够忽略 第四，在运放的产品中还有一类叫电流反馈运算放大器 第四，在运放的产品中还有一类叫电流反馈运算放大器 它使用起来和我们通常的 电压反馈型运算放大器有一些不同 此外 理想运放是不会发生自激振荡的 但是呢 我们的实际运放很有可能会发生振荡 任何电路都有噪声 那么在高精度应用时候呢 我们需要定量计算运放电路的噪声的大小 对于之前提到的四个问题，我们需要牢牢的掌握 否则根本没有办法正确使用运放 而对于五和六这两个问题呢 运放的振荡和噪声问题 我们会放到后面专门的章节进行讲解 好，我们开始讲轨至轨与运放供电 位于4.2.1 轨至轨所谓的轨指的就是电源轨 轨至轨意思就是说器件能够承受的 输入电压和它能产生的输出电压 能不能达到或者接近电源电压 在区分输入和输出以及正负电源 供电的情况下，实际描述轨迹为有四个参数 就是你输入能够达到正电轨还是负电轨 输出能够达到正电轨还是负电压轨 我们看这么一个仿真 单电源运放比较器的 TINA 仿真 那么，当初学者呢在 做过零电压比较电路的时候 它会认为 我输出电压不希望是负的 所以呢，我没有必要用双电源运放 那么我们的输入信号采用 1kHz/2V 的正弦波 这是一个正弦波 和0V电压作比较，那么期望输出值呢 就应该是一个输出0-5V，幅值为50%占空比的方波 过零电压比较的意义 但实际呢，仿真的结果却是这样的 在正半周 我们看 比较结果还勉强正确 正弦波大于 0V，所以输出高电平 但是它的幅度呢也达不到 5V，只有 4V 的样子 而负半周则出现了问题 我们期望它输出为 0V，但实际上它还是输出了正电压 这样它的输出逻辑就发生混乱 图示电路犯的错误是将双极性信号 输入给了 单电源的运放 而运放内部的构造造成了输入的信号 不应该超过供电电压 而且呢，输出信号的幅值也不会超过供电电压 因为它内部呢是没有升压电路的 那么只要是单电运放就不能输入双极性信号 事实上只有特殊的轨至轨运放 它的输入输出才能够接近电源轨 而其它类型的运放没有如果没有提到是轨至轨的话 它的输入输出离电供电电压还有一个差值 此外呢，对于单电源供电运放的 GND 它也是电源轨，它的负电源轨就是 GND 那么它的输入电压其实也都不能接近于 GND 正确的过零电压比较电路呢应该使用双电源供电 那么我们看到，采用双电源供电以后 它已经得到了 正弦波为正的时候输出为正 为负，比 0V 低的时候输出为负 但由于324呢，它不是轨至轨输出运放 所以它的输出正电压最高呢还是只有 4V 我们查找一款合适的轨至轨运放 那么打开 TI 主页 在通用放大器中选择 因为我们只要求轨至轨不要求其它的特殊性能 所以我们在通用放大器中找 点开产品以后 我们有一些多项指标可以供筛选 我们打开 参数 这里有一堆参数可以作为比较参数 我们选择五种点，击箭头可以把它移到这边来 就是我们考察哪几种参数 考了这么五个，通道数、供电电压 是否轨至轨和价钱 好，我们选择通道数1 因为我们只需要一个单通道运放 我们选择呢，要求是输出轨至轨 我们不要求输入轨至轨 然后我们呢 选择越便宜越好往下拉 筛选出两种放大器 那么其中这两种呢 这种在 TINA-TI 里面没有这种器件 所以我们呢最后就选择了 LMV321 我们在考察下它的供电电压 是否满足要求可以2.75到5.5供电可以的 我们在 TINA-TI 呢，选择供应商模型 在运算放大器里面 找到 LMV321 把它替换 原电路中的运放 好，我们现在的输出波形呢为非常好的正负5V方波 在本例中呢，由于我们仅需要轨至轨输出 其它性能没有特殊要求，所以呢筛选出来的 还是比较便宜的运放，0.2美元 那么比较器双极性信号的输出，如果呢我们要把它 作为数字信号输入给类似单片机 IO 口的话 它是会造成一定损害的 因为我们输入大面积的 IO 口 也应该不是双极性的单片机是单极性供电 如图所示呢，我们可以接一个三极管构成了反相器 来将双极性方波变成单极性 由于三极管构成是一个反相器，所以我们呢 把输入给运放的极性也对调一下 把逻辑正过来 那么由于我们有反相器，这也就构成一个 OC 门 所以我们的运放呢，不需要选择轨至轨运放 我们也可以达到电源轨 OC 门就具有这样的特性 我们看仿真的结果 它达到了0和5V输出的方波，非常完美 实际上这个仿真结果，比实际结果还要更好 因为呢实际中 我们的 三极管反相器 它可以做到 5V 输出，达到 VCC 轨输出 是没有问题的，但它做不到 GND 轨输出 因为它导通时候呢是有管压降的 所以准确的说这个地方是到不了 0V 而是有 0.2V、0.3V 这样的电压 但是不影响我们给单片机使用 本课小结 如果用单电源供电的运放呢 来处理双极性信号会发生未知的错误 比如说我们单电源供电运放 给一个正弦波和0V作比较 那么比较出来的结果呢 就是这样的逻辑混乱的 如果我们换成双电源供电的运放来处理 双极性信号，那么就不会发生逻辑错误 我们把运放替换为轨至轨运放 LMV321 那么它的输出信号 现在非常好 是一个 5V 的 ±5V 输出的方波，这就是轨至轨输出的意义 那么双极性信号 双极性运放怎么得到单极性输出呢 那就是加一级，用三极管 加一级反相器 OC 门 进行极性变换 我们看现在得到的 是一个 0-5V 的方波 好，这节课就到这里